ГЛАВА 2. МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Биологические мембраны, находящиеся на границе клетки и внеклеточного пространства, а также на границе мембранных ор- ганелл клетки (митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, ядро, мембранные пузырьки) и цитозоля, важны для функционирования не только клетки в целом, но и её органелл. Клеточные мембраны имеют принципиально сходную молекулярную организацию. В этой главе био- логические мембраны рассмотрены преимущественно на примере плазматической мембраны (плазмолеммы), отграничивающей клетку от внеклеточной среды.

Плазматическая мембрана

Любая биологическая мембрана (рис. 2-1) состоит из фосфолипидов (~50%) и белков (до 40%). В меньших количествах в состав мембраны входят другие липиды, холестерол и углеводы.

•  Фосфолипиды. Молекула фосфолипида состоит из полярной (гидрофильной) части (головка) и аполярного (гидрофобного) двойного углеводородного хвоста. В водной фазе молекулы фосфолипидов автоматически агрегируют хвост к хвосту, формируя каркас биологической мембраны (рис. 2-1 и 2-2) в виде двойного слоя (бислой). Таким образом, в мембране хвосты фосфолипидов (жирные кислоты) направлены внутрь бислоя, а содержащие фосфатные группировки головки обращены кнаружи.

•  Белки биологических мембран подразделяются на интегральные (в том числе трансмембранные) и периферические (см. рис. 2-1, 2-2).

Интегральные мембранные белки (глобулярные) встроены в липидный бислой. Их гидрофильные аминокислоты взаи-

Рис. 2-1. Биологическая мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, гидрофильные части которых (головки) направлены к поверхности мембраны, а гидрофобные части (хвосты, стабилизирующие мембрану в виде бислоя) - внутрь мембраны. И - интегральные белки погружены в мембрану. Т - трансмембранные белки пронизывают всю толщу мембраны. Π - периферические белки расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны.

модействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные аминокислоты - с цепями жирных кислот. К интегральным мембранным белкам относятся белки адгезии, некоторые рецепторные белки (мембранные рецепторы). Трансмембранный белок - молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности. К трансмембранным белкам относятся поры, ионные каналы, переносчики, насосы, некоторые рецепторные белки.

Гидрофильный участок

Рис. 2-2. Плазматическая мембрана. Пояснения в тексте.

♦ Поры и каналы - трансмембранные пути, по которым между цитозолем и межклеточным пространством (и в обратном направлении) перемещаются вода, ионы и молекулы метаболитов.

♦ Переносчики осуществляют трансмембранное перемещение конкретных молекул (в том числе в сочетании с переносом ионов или молекул другого типа).

♦ Насосы перемещают ионы против их концентрационного и энергетического градиентов (электрохимический градиент) при помощи энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ.

Периферические мембранные белки (фибриллярные и глобулярные) находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно свя- заны с интегральными мембранными белками.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с наружной поверхностью мембраны, - рецепторные белки и белки адгезии.

♦ Примеры периферических мембранных белков, связанных с внутренней поверхностью мембраны, - белки цитоскелета, белки системы вторых посредников, ферменты и другие белки.

•  Углеводы (преимущественно олигосахариды) входят в состав гликопротеинов и гликолипидов мембраны, составляя 2-10% её массы (см. рис. 2-2). С углеводами клеточной поверхности взаимодействуют лектины. Цепи олигосахаридов выступают на наружной поверхности мембран клетки и формируют поверхностную оболочку - гликокаликс.

Проницаемость мембраны

Мембранный бислой разделяет две водные фазы. Так, плазматическая мембрана отделяет межклеточную (интерстициальную) жидкость от цитозоля, а мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий и других мембранных внутриклеточных органелл - их содержимое от цитозоля. Биологическая мембрана - полупроницаемый барьер.

•  Полупроницаемая мембрана. Биологическую мембрану определяют как полупроницаемую, т.е. барьер, непроницаемый для воды, но проницаемый для растворённых в ней веществ (ионы и молекулы).

•  Полупроницаемые тканевые структуры. К полупроницаемым тканевым структурам относят также стенку кровеносных капилляров и различные барьеры (например, фильтрационный барьер почечных телец, аэрогематический барьер респираторного отдела лёгкого, гематоэнцефалический барьер и многие другие, хотя в состав таких барьеров, помимо биологических мембран (плазмолемма), входят и немембранные компоненты. Проницаемость таких тканевых структур рассматривается в разделе «Трансклеточная проницаемость» главы 4.

Физико-химические параметры межклеточной жидкости и цитозоля существенно различны (см. табл. 2-1), как и параметры каждого мембранного внутриклеточного органоида и цитозоля. Наружная и внутренняя поверхности биологической мембраны полярны и гидрофильны, но неполярная сердцевина мембраны гидрофобна. Поэтому неполярные вещества могут проникать через липидный бислой. В то же время именно гидрофобный характер сердцевины биологической мембраны определяет принципиальную невозможность непосредственного проникновения через мембрану полярных веществ.

•  Неполярные вещества (например, водонерастворимые холестерол и его производные) свободно проникают через биологические мембраны. В частности, именно по этой причине рецепторы стероидных гормонов расположены внутри клетки.

•  Полярные вещества (например, ионы Na+, K+, Cl^-, Ca²+; различные небольшие, но полярные метаболиты, а также сахара, нуклеотиды, макромолекулы белка и нуклеиновых кислот) сами по себе не проникают через биологические мембраны. Именно поэтому рецепторы полярных молекул (например, пептидных гормонов) встроены в плазматическую мембрану, а передачу гормонального сигнала к другим клеточным компартментам осуществляют вторые посредники.

Избирательная проницаемость - проницаемость биологической мембраны по отношению к конкретным химическим веществам - важна для поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, метаболитов и макромолекул. Перемещение конкретных веществ через биологическую мембрану называют трансмембранным транспортом (чрезмембранный транспорт).

Трансмембранный транспорт

Избирательная проницаемость осуществляется при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транс- порта.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт (пассивная диффузия) - движение небольших неполярных и полярных молекул в обоих направлениях по градиенту концентрации (разность химического потенциала) или по электрохимическому градиенту (транспорт заряженных веществ - электролитов) осуществляется без затрат энергии и характеризуется низкой специфичностью. Простую диффузию описывает закон Фика. Пример пассивного транспорта - пассивная (простая) диффузия газов при дыхании.

•  Концентрационный градиент. Определяющий фактор диффузии газов - их парциальное давление (например, парциальное давление кислорода - Po₂ и парциальное давление диоксида углерода - PCO₂). Другими словами, при простой диффузии поток незаряженного вещества (например, газов, стероидных гормонов, анестетиков) через липидный бислой прямо пропорционален разности концентрации этого вещества по обе стороны мембраны (рис. 2-3).

•  Электрохимический градиент (Δμ_х). Пассивный транспорт заряженного растворённого вещества Х зависит от разности концентраций вещества в клетке ([Х]_В) и вне (снаружи) клетки ([Х]_С) и от разницы электрического потенциала вне (Ψ_С) и внутри клетки (Ψ_Β). Другими словами, Δμ_χ учитывает вклад и концентрационного градиента вещества (разность химического потенциала), и электрического потенциала по обе стороны мембраны (разность электрического потенциала).

Φ Таким образом, движущей силой пассивного транспорта электролитов является электрохимический градиент - раз- ность электрохимического потенциала (Δμ_х) по обе стороны биологической мембраны.

Облегчённая диффузия

Для облегчённой диффузии веществ (см. рис. 2-3) необходимы встроенные в мембрану белковые компоненты (поры, пере- носчики, каналы). Все эти компоненты относятся к интегральным

Рис. 2-3. Пассивный транспорт путём диффузии через плазматическую мембрану. А - направление транспорта вещества и при простой, и при об- легчённой диффузии происходит по градиенту концентрации вещества по обе стороны плазмолеммы. Б - кинетика транспорта. По ординате - количество диффундировавшего вещества, по ординате - время. Простая диффузия не требует непосредственных затрат энергии, является ненасыщаемым процессом, её скорость линейно зависит от градиента концентрации вещества.

(трансмембранным) белкам. Облегчённая диффузия происходит по градиенту концентрации для неполярных веществ или по электрохимическому градиенту для полярных веществ.

•  Поры. По определению, заполненный водой канал поры всегда открыт (рис. 2-4). Поры формируют разные белки (порины, перфорины, аквапорины, коннексины и др.). В некоторых случаях образуются гигантские комплексы (например, ядерные поры), состоящие из множества разных белков.

•  Переносчики (транспортёры) осуществляют транспорт через биологические мембраны множества различных ионов (Na+, Cl^-, H+, HCO₃^- и др.) и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, креатин, норадреналин, фолаты, лактат, пируват и др.). Транспортёры специфичны: каждый конкретный пере-

Рис. 2-4. Пора в плазмолемме [2].

Канал поры всегда открыт, поэтому химическое вещество Х проходит через мембрану по градиенту его концентрации или (если вещество Х заряжено) по электрохимическому градиенту. В данном случае происходит перемещение вещества Х из внеклеточного пространства в цитозоль.

носчик переносит через липидный бислой, как правило и по преимуществу, одно вещество. Различают однонаправленный (унипорт), сочетанный (симпорт) и разнонаправленный (антипорт) транспорт (рис. 2-5).

Вторичный активный транспорт. Переносчики, осуществляющие как сочетанный (симпорт), так и разнонаправленный (антипорт) трансмембранный перенос, с точки зрения энергетических затрат функционируют так, что энергия, накапливающаяся при переносе одного вещества (обычно Na+), затрачивается на транспорт другого вещества. Такой тип трансмембранного переноса называют вторичным активным транспортом (см. ниже). Ионные каналы состоят из связанных между собой белковых СЕ, формирующих в мембране гидрофильную пору (рис. 2-6). Через открытую пору по электрохимическому градиенту диффундируют ионы. Свойства ионных каналов (в том числе специфичность и проводимость) определяют как аминокислотная последовательность конкретного полипептида, так и конформационные изменения, происходящие с разными частями полипептидов в составе интегрального белка канала. Специфичность. Ионные каналы специфичны (селективны) по отношению к конкретным катионам и анионам [например, для Na+ (натриевый канал), K+ (калиевый

Рис. 2-5. Модель вариантов трансмембранного переноса разных молекул [9].

Рис. 2-6. Модель калиевого канала. Интегральный белок (на рисунке цифрами помечены фрагменты белка) пронизывает всю толщу липидного бислоя, формируя заполненную водой пору канала (на рисунке в канале видны три иона калия, ниж- ний из них находится в полости поры).

канал), Ca²+ (кальциевый канал), Cl^- (хлорный канал) и

др.].

Φ Проводимость определяется количеством ионов, способных пройти через канал в единицу времени. Проводимость канала изменяется в зависимости от того, открыт канал или закрыт.

Φ Ворота. Канал может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии (рис. 2-7). Поэтому модель канала предусматривает наличие устройства, открывающего и закрывающего канал, - воротного механизма, или ворот канала (по аналогии с открытыми и закрытыми воротами).

Φ Функциональные компоненты. Помимо ворот, модель ионного канала предусматривает существование таких функци- ональных компонентов, как сенсор, избирательный фильтр и пора открытого канала.

Рис. 2-7. Модель воротного механизма ионного канала [2]. А. Ворота канала закрыты, ион Х не может пройти через мембрану. Б. Ворота канала открыты, ионы Х проходят через мембрану по поре канала.

♦ Сенсор. Каждый канал имеет один (иногда больше) сенсоров к разным типам сигналов: изменениям мембран- ного потенциала (МП), вторым посредникам (с цитоплазматической стороны мембраны), разным лигандам (с внеклеточной стороны мембраны). Эти сигналы регулируют переход между открытым и закрытым состоянием канала.

■ Классификация каналов по чувствительности к разным сигналам. По этому признаку каналы подразделяются на потенциалзависимые, механочувствительные, рецепторзависимые, G-белокзависимые, Са²+-зависимые.

♦ Избирательный фильтр определяет, какие именно типы ионов (анионы или катионы) или конкретные ионы (например, Na+, К+, Ca²+, Cl^-) имеют доступ в пору канала.

♦ Пора открытого канала. После приобретения интегральным белком канала конформации, соответствующей открытому состоянию канала, формируется трансмембранная пора, внутри которой перемещаются ионы.

Φ Состояния канала. Благодаря наличию ворот, сенсора, избирательного фильтра и поры ионные каналы могут быть в состоянии покоя, активации и инактивации.

♦ Состояние покоя - канал закрыт, но готов к открытию в ответ на химические, механические или электрические стимулы.

♦ Состояние активации - канал открыт и пропускает ионы.

♦ Состояние инактивации - канал закрыт и не способен к активации. Инактивация возникает тотчас после открытия канала в ответ на действие стимула и длится от нескольких до нескольких сотен миллисекунды (в зависимости от типа канала).

Φ Примеры. Наиболее распространённые каналы - для Na+, K+, Ca²+, Cl^-, НСО^-₃.

♦ Натриевые каналы имеются практически в любой клетке. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Na+ (Δμ_?а) отрицательна, при открытом состоянии Na⁺-канала ионы натрия устремляются из меж- клеточного пространства в цитозоль (слева на рис. 2-8).

Рис. 2-8. Na+-, K⁺-насос [7]. Модель Na+-, К+-АТФазы, встроенной в плаз- матическую мембрану. Na+-, К+-насос - интегральный мембранный белок, состоящий из четырёх СЕ (формирующие канал две каталитические субъединицы α и две - гликопротеина β). Na+-, К+-насос осуществляет транспорт катионов против электрохимического градиента (μ_x) - транспортирует Na+ из клетки в обмен на K⁺ (при гидролизе одной молекулы АТФ три иона Na⁺ выкачиваются из клетки и два иона K⁺ закачиваются в неё). Слева и справа от насоса стрелками показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na+) и из клетки (К+, Cl^- и вода) в силу различий их Δμ_x. АДФ - аденозиндифосфат, Фн - неорганический фосфат.

■ В электровозбудимых структурах (например, скелетные МВ, кардиомиоциты, ГМК, нейроны) натриевые каналы генерируют ПД, точнее начальный этап деполяризации мембраны. Потенциалвозбудимые натриевые каналы - гетеродимеры; в их состав входит большая α-субъединица (M_r около 260 кД) и несколько β-субъединиц (M_r 32-38 кД). Определяет свойства канала трансмембранная α-СЕ.

■ В канальцах нефрона и в кишечнике Na+-каналы концентрируются на верхушке эпителиальных клеток, поэтому Na⁺ входит в эти клетки из просвета и далее поступает в кровь, обеспечивая реабсорбцию натрия в почке и всасывание натрия в ЖКТ.

♦ Калиевые каналы (см. рис. 2-6) - интегральные мембранные белки, эти каналы обнаружены в плазмолемме всех клеток. Трансмембранная разность электрохимического потенциала для К+ (Δμ_κ) близка к нулю (или слегка положительна), поэтому при открытом состоянии К+-канала ионы калия перемещаются из цитозоля во внеклеточное пространство («утечка» калия из клетки, справа на рис. 2-8). Функции К+-каналов - поддержание МП покоя (отрицателен по внутренней поверхности мембраны), регуляция объёма клетки, участие в завершении ПД, модуляция электрической возбудимости нервных и мышечных структур, секреция инсулина из β-клеток островков Лангерханса.

♦ Кальциевые каналы - белковые комплексы, состоящие из нескольких СЕ (α_ρ α₂, β, γ, δ). Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Ca²+ (Δμ_ca) существенно отрицательна, то при открытом состоянии Ca^-канала ионы кальция устремляются из внутриклеточных мембранных «депо кальция» и межклеточного пространства в цитозоль. При активации каналов происходит деполяризация мембраны, а также взаимодействие лигандов с их рецепторами. Ca²⁺-каналы подразделяются на потенциалзависимые и управляемые рецепторами (например, адренергическими).

♦ Анионные каналы. Многие клетки содержат разные типы анионоселективных каналов, через которые происходит пассивный транспорт Cl^- и в меньшей степени - НСО^-₃. Поскольку трансмембранная разность электрохимического потенциала для Cl^- (Δμ_α) умеренно отрицательна, при открытом анионном канале ионы хлора диффундируют из цитозоля в межклеточное пространство (справа на рис. 2-8).

Активный транспорт

Активный транспорт - энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента. Различают первичный и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт осуществляют насосы (различные АТФазы), вторичный - симпор- тёры (сочетанный однонаправленный транспорт) и антипортёры (встречный разнонаправленный транспорт).

•  Первичный активный транспорт обеспечивают следующие насосы: натрий-, калиевые АТФазы, протонные и калиевые АТФазы, Са²⁺-транспортирующие АТФазы, митохондриальные АТФазы, лизосомальные протонные насосы и др.

Φ Натрий-, калиевая АТФаза (см. рис. 2-8) регулирует трансмембранные потоки основных катионов (Na⁺, К⁺) и опосредованно - воды (что поддерживает постоянный объём клетки), обеспечивает ?+-связанный трансмембранный перенос (симпорт и антипорт) множества органических и неорганических молекул, участвует в создании МП покоя и генерации ПД нервных и мышечных элементов.

Φ Протонная и калиевая АТФаза (H+-, К+-насос). При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен двух внеклеточных ионов К⁺ на два внутриклеточных иона H⁺ при гидролизе одной молекулы АТФ).

Φ Са²+-транспортирующие АТФазы (Са²+-АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы в обмен на протоны против значительного электрохимического градиента Са²⁺.

Φ Митохондриальная АТФаза типа F (F₀F_:) - АТФ-синтаза внутренней мембраны митохондрий - катализирует конечный этап синтеза АТФ. Кристы митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФ синтезируется при обратном токе протонов в матрикс через канал в АТФ- синтезирующем комплексе (так называемое хемиосмотическое сопряжение).

Φ Лизосомальные протонные насосы [Н+-АТФазы типа V (от Vesicular)], встроенные в мембраны, которые окружают лизосомы (также комплекс Гольджи и секреторные пузырьки), транспортируют H⁺ из цитозоля в эти мембранные органеллы. В результате в них снижается значение pH, что оптимизирует функции этих структур.

•  Вторичный активный транспорт. Известны две формы активного вторичного транспорта - сочетанный (симпорт) и встречный (антипорт) (см. рис. 2-5).

Φ Симпорт осуществляют интегральные мембранные белки. Перенос вещества Х против его электрохимического гра-

диента (μ_x) в большинстве случаев происходит за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии ионов натрия (т.е. за счёт Δμ_Na)), а в ряде случаев - за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии протонов (т.е. за счёт Δμ_H. В итоге и ионы (Na+ или H+), и вещество Х (например, глюкоза, аминокислоты, неорганические анионы, ионы калия и хлора) перемещаются из межклеточного вещества в цитозоль. Φ Антипорт (встречный, или обменный транспорт), как правило, перемещает анионы в обмен на анионы и катионы в обмен на катионы. Движущая сила обменника формируется за счёт поступления в клетку Na+.

Поддержание внутриклеточного ионного гомеостаза

Избирательная проницаемость биологических мембран, осуществляемая при помощи пассивного транспорта, облегчённой диффузии и активного транспорта, направлена на поддержание важных для функционирования клеток параметров ионного гомеостаза [Na+], [K+], [Ca²+] и других ионов, а также pH ([H+]) и воды (табл. 2-1) и множества других химических соединений.

Таблица 2-1. Концентрация веществ (ммоль/л) в цитозоле и вне клетки

♦ Потенциал действия (ПД). В электровозбудимых клеточных элементах (нейроны, кардиомиоциты, скелетные МВ, ГМК) пассивный вход в цитозоль через потенциалзависимые Na+-каналы критичен для генерации ПД (подробнее см. в гл. 5).

• Гомеостаз [Ca²+]. Поскольку Са²+ цитозоля выступает в качестве второго (внутриклеточного) посредника, регулирующего множество функций, то [Ca²+] в цитозоле клетки в состоянии

покоя минимальна (<100 нМ, или 10^-7 M). В то же время внеклеточная [Ca²+] около 1 мМ (10^-3 M). Таким образом, разни- ца трансмембранного электрохимического градиента для Ca²⁺ (Δμ^) гигантская - 4 порядка величины μ_Ca! Другими словами, между цитозолем и внеклеточной средой (а также между цитозолем и внутриклеточными депо кальция, в первую очередь цистернами эндоплазматической сети) существует весьма значительный трансмембранный градиент Ca²⁺. Именно поэтому поступление Ca²⁺ в цитозоль происходит практически мгновенно: в виде «выброса» Ca²+ из кальциевых депо или «вброса» Ca²+ из межклеточного пространства. Поддержание столь низкой [Ca²+] в цитозоле обеспечивают Са²+-АТФазы, Na+-Ca²+-обменники и Ca²+-буферные внутриклеточные системы (митохондрии и Ca²+-связывающие белки).

•  Гомеостаз [Cl^-]. Во всех клетках [Cl^-] в цитозоле примерно в 10 раз меньше [Cl^-] вне клетки. Эту ситуацию поддерживают анионные каналы (Cl^- пассивно проходит в цитозоль), Na-/ К-/Cl-котранспортёр и Cl-HCO^-обменник (Cl^- поступает в клетку), а также К-/Cl-котранспортёр (выход К+ и Cl^- из клетки).

•  pH. Для поддержания pH существенна [H+], а также [НСО^-₃] и PCO₂. Внеклеточное значение pH составляет 7,4 (при [НСО^-₃] около 24 мМ и PCO₂ примерно 40 мм рт.ст.). В то же время внутриклеточное значение pH равно 7,2 (сдвинуто в кислую сторону, при этом [CO₂] одинаково по обе стороны мембраны, а вычисленное значение [НСО^-₃] должно составить около 16 мМ, тогда как реально составляет 10 мМ). Следовательно, клетка должна иметь системы, выбрасывающие из неё H⁺ или захватывающие НСО^-₃. К таким системам относятся Na⁺- ^-обменник, Na+-Cl^--HCO^-₃-обменник и Na+-HCO^-₃- котранспортёр. Все перечисленные транспортные системы чувствительны к изменениям pH: они активируются при закислении цитозоля и блокируются при сдвиге внутриклеточного pH в щелочную сторону.

Транспорт воды и поддержание клеточного объёма

По определению, сама по себе полупроницаемая мембрана (а ею и является биологическая мембрана) непроницаема для воды. Более того, трансмембранный перенос воды - всегда пассивный

процесс (через водные аквапориновые каналы как раз и происходит простая диффузия воды, но никаких специальных насосов для активного транспорта воды не обнаружено), осуществляемый через трансмембранные поры и каналы в составе других переносчиков и насосов. Тем не менее распределение воды между клеточными компартментами, цитозолем и органоидами клетки, между клеткой и интерстициальной жидкостью и её транспорт через биологические мембраны имеют огромное значение для гомеостаза клеток (в том числе для регулирования их объёма). Поток воды через биологические мембраны (осмос) определяет разность осмотического и гидростатического давления по обе стороны мембраны.

•  Осмос - поток воды через полупроницаемую мембрану из компартмента с меньшей концентрацией растворённых в воде веществ в компартмент с большей их концентрацией. Другими словами, вода перетекает оттуда, где её химический потенциал (Δμ _а) выше, туда, где её химический потенциал ниже, так как наличие растворённых в воде веществ уменьшает химический потенциал воды.

•  Осмотическое давление (рис. 2-9) определяют как давление раствора, прекращающее его разведение водой через полупроницаемую мембрану. Численно осмотическое давление при равновесном состоянии (вода перестала проникать через полупроницаемую мембрану) равно гидростатическому давлению.

•  Осмотический коэффициент (Φ). Значение Φ для электролитов в физиологических концентрациях обычно менее 1 и по мере разведения раствора Φ приближается к 1.

•  Осмоляльность. Термины «осмоль» и «осмоляльность» - внесистемные единицы. Осмоль (осм) - молекулярная масса рас- творённого вещества в граммах, делённая на число ионов или частиц, на которые оно диссоциирует в растворе. Осмоляльность (осмотическая концентрация) - степень концентрации раствора, выраженная в осмолях, а осмоляльность раствора (Ф_iс) выражают в осмолях на литр.

•  Осмотичность растворов. В зависимости от осмоляльности растворы могут быть изоосмотическими, гипер- и гипоосмотическими (иногда применяют не совсем корректный термин «тонический», справедливый для простейшего случая - для электролитов). Оценка осмотичности растворов (или ци-

Рис. 2-9. Осмотическое давление [4]. Полупроницаемая мембрана разделяет отсеки А (раствор) и Б (вода). Осмотическое давление раствора измеряют в отсеке А. На раствор в отсеке А действует гидростатическое давление. При равенстве осмотического и гидростатического давлений устанавливается равновесие (вода не проникает через полупроницаемую мембрану). Осмотическое давление (π) описывает уравнение Вант Гоффа.

тозоля и межклеточной жидкости) имеет смысл только при сравнении двух растворов (например, АиБ, цитозоля и межклеточной жидкости, инфузионных растворов и крови). В частности, независимо от осмоляльности двух растворов между ними происходит осмотическое перемещение воды до достижения равновесного состояния. Такая осмотичность известна как эффективная осмотичность (тоничность для раствора электролитов).

Изоосмотический раствор А: осмотическое давление растворов А и Б одинаково.

Гипоосмотический раствор А: осмотическое давление раствора А меньше осмотического давления раствора Б. Гиперосмотический раствор А: осмотическое давление раствора А больше осмотического давления раствора Б.

•  Кинетика транспорта воды через мембрану линейна, ненасыщаема и является функцией суммы движущих сил транспорта (Δμ_{вода, сумма}), а именно разницы химического потенциала по обе стороны мембраны (Δμ_вода) и разницы гидростатического давления (Δμ_{давление воды} ) по обе стороны мембраны.

•  Осмотическое набухание и осмотическое сморщивание клеток. Состояние клеток при изменении осмотичности раствора электролита, в котором взвешены клетки, рассмотрено на рис. 2-10.

Рис. 2-10. Состояние взвешенных в растворе NaCl эритроцитов [4]. По абсциссе - концентрация (С) NaCl (мМ), по ординате - объём клеток (V). При концентрации NaCl 154 мМ (308 мМ осмотически активных частиц) объём клеток такой же, как и в плазме крови (изотоничный эритроцитам раствор NaCl, С₀, V₀). При увеличении концентрации NaCl (гипертонический раствор NaCl) вода выходит из эритроцитов, и они сморщиваются. При уменьшении концентрации NaCl (гипотонический раствор NaCl) вода входит в эритроциты, и они набухают. При гипотоничности раствора, примерно в 1,4 превышающей значение изотонического раствора, происходит разрушение мембраны (лизис).

• Регуляция объёма клеток. На рис. 2-10 рассмотрен простейший случай - взвесь эритроцитов в растворе NaCl. В этом модельном эксперименте in vitro получены такие результаты: если осмотическое давление раствора NaCl увеличивается, то вода покидает клетки путём осмоса, а клетки сморщиваются; если осмотическое давление раствора NaCl уменьшается, вода поступает в клетки, и клетки набухают. Но ситуация in vivo сложнее. В частности, клетки находятся не в растворе единственного электролита (NaCl), а в реальном окружении

множества ионов и молекул с разными физико-химическими характеристиками. Так, плазматическая мембрана клеток не- проницаема для многих вне- и внутриклеточных веществ (например, белков); кроме того, в рассмотренном выше случае не учитывался заряд мембраны. Заключение. Ниже суммированы данные о регуляции распределения воды между компартментами, разделёнными полупроницаемой мембраной (в том числе между клетками и внеклеточным веществом).

•  Поскольку клетка содержит не проходящие через мембрану отрицательно заряженные белки, доннановские силы вызывают набухание клетки.

•  Клетка реагирует на внеклеточную гиперосмоляльность накоплением в ней органических растворённых веществ.

•  Градиент тоничности (эффективная осмоляльность) обеспечивает осмотический ток воды через мембрану.

•  Вливание изотонических солевых и бессолевых растворов (5% глюкозы), а также введение NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной жидкости, но по-разному влияет на объём клеток и внеклеточную осмоляльность. В приведённых ниже примерах все расчёты даны исходя из следующих начальных значений: вся вода организма - 42 л (60% организма мужчины массой 70 кг), внутриклеточная вода - 25 л (60% всей воды), внеклеточная вода - 17 л (40% всей воды). Осмоляльность внеклеточной жидкости и внутриклеточной воды составляет 290 мосм.

Φ Изотонические солевые растворы. Вливание изотонического солевого раствора (0,9% NaCI) увеличивает объём межклеточной жидкости, но не влияет на объём внутриклеточной жидкости.

Φ Изотонические бессолевые растворы. Приём 1,5 л воды или вливание изотонического бессолевого раствора (5% глюкозы) увеличивает объём и межклеточной, и внутриклеточной жидкости.

Φ Хлорид натрия. Введение в организм NaCI (эквивалентно изотоническому солевому раствору) увеличивает объём межклеточной воды, но уменьшает объём внутриклеточной воды.

Мембранный электрогенез

Различная концентрация ионов по обе стороны плазмолеммы всех клеток (см. табл. 2-1) приводит к трансмембранной разности электрического потенциала - Δμ - мембранного потенциала (МП, или V_m).

Мембранный потенциал

• МП покоя - разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны в состоянии покоя, т.е. при отсутствии электрического или химического раздражителя (сигнала). В состоянии покоя поляризация внутренней поверхности клеточной мембраны имеет отрицательную величину, поэтому значение МП покоя тоже отрицательно.

Величина МП существенно зависит от типа клеток и их размеров. Так, МП покоя плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов варьирует от -60 до -90 мВ, плазмолеммы скелетного МВ - -90 мВ, ГМК около -55 мВ, эритроцитов примерно -10 мВ. Изменения величины МП описывают специальными терминами: гиперполяризация (увеличение величины МП), деполяризация (уменьшение величины МП), реполяризация (увеличение величины МП после деполяризации).

Природа МП определяется трансмембранными ионными градиентами (формируются непосредственно за счёт состояния ионных каналов, активности переносчиков, а опосредованно - за счёт активности насосов, в первую очередь Na⁺-/К⁺-АТФазы) и проводимостью мембраны.

Трансмембранный ионный ток. Сила тока (I), текущего через мембрану, зависит от концентрации ионов по обе стороны мембраны, МП и проницаемости мембраны для каждого иона.

Если мембрана проницаема для К+, Na+, Cl^- и других ионов, их суммарный ионный ток представляет собой сумму ионного тока каждого из ионов:

I _{суммарный} = I_K+ + I_Nа+ + + I_CI- + I_X+ + I_X1 + ... +I_Xn .

Потенциал действия (ПД) рассмотрен в главе 5.

Транспортные мембранные пузырьки

Транспортные процессы клетки происходят не только через полупроницаемую мембрану, но и при помощи транспортных мембранных пузырьков, отделяющихся от плазмолеммы или сливающихся с ней, а также отделяющихся от различных внутриклеточных мембран и сливающихся с ними (рис. 2-11). При помощи таких мембранных пузырьков клетка поглощает из внеклеточной среды воду, ионы, молекулы и частицы (эндоцитоз), выделяет секреторные продукты (экзоцитоз) и осуществляет внутри клетки транспорт между органоидами. Все эти процессы основаны на исключительной лёгкости, с которой в водной фазе фосфолипидный бислой мембран выделяет («отшнуровывает») такие пузырьки (ли- посомы, суммарно называемые эндосомами) в цитозоль и сливает-

Рис. 2-11. Эндоцитоз (А) и экзоцитоз (Б) [11]. При эндоцитозе участок плазматической мембраны впячивается и замыкается. Образуется эндоцитозный пузырёк, содержащий поглощённые частицы. При экзоцитозе мембрана транспортных или секреторных пузырьков сливается с плазматической мембраной и содержимое пузырьков высвобождается во внеклеточное пространство. В слиянии мембран участвуют специальные белки.

ся с ними. В ряде случаев идентифицированы мембранные белки, способствующие слиянию фосфолипидных бислоёв.

• Эндоцитоз (эндо - внутренний, внутрь + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение (интернализация) клеткой веществ, частиц и микроорганизмов (рис. 2-11, А). Варианты эндоцитоза - пиноцитоз, опосредуемый рецепторами эндоцитоз и фагоцитоз.

Φ Пиноцитоз (греч. pino - пить + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - процесс поглощения жидкости и растворённых веществ с образованием небольших пузырьков. Пиноцитозные пузырьки формируются в специализированных областях плазматической мембраны - окаймлённых ямках (рис. 2-12).

Φ Опосредуемый рецепторами эндоцитоз (см. рис. 2-12) характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Ход процесса: связывание лиганда и мембранного рецептора - концентрирование комплекса лиганд-рецептор на поверхности окаймлённой ямки - по- гружение в клетку внутри окаймлённого пузырька. Подобным образом клетка поглощает трансферрин, холестерол вместе с ЛПНП и многие другие молекулы.

Φ Фагоцитоз (греч. phagein - поедать, пожирать + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс) - поглощение

Рис. 2-12. Опосредуемый рецепторами эндоцитоз [11]. Многие внеклеточные макромолекулы (трансферрин, ЛПНП, вирусные частицы и др.) связываются со своими рецепторами в плазмолемме. Образуются клатриновые окаймлённые ямки, а затем - окаймлённые пузырьки, содержащие комплекс лиганд-рецептор. Окаймлённые пузырьки после освобождения от клатрина - эндосома. Внутри эндосом лиганд отщепляется от рецептора.

• крупных частиц (например, микроорганизмов или остатков клеток). Фагоцитоз (рис. 2-13) осуществляют специальные клетки - фагоциты (макрофаги, нейтрофильные лейкоциты). В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки - фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Фагоцитоз индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмолемме фагоцитов. Подобными сигналами служат АТ (также компонент комплемента C3b), опсонизирующие фагоцитируемую частицу (такой фагоцитоз известен как иммунный). Экзоцитоз (экзо - наружный, наружу + греч. kytos - клетка + греч. osis - состояние, процесс), или секреция, - процесс, при котором внутриклеточные секреторные пузырьки (например, синаптические) и секреторные пузырьки и гранулы сливаются с плазмолеммой, а их содержимое освобождается из клетки (см. рис. 2-11, Б). Процесс секреции может быть спонтанным и регулируемым.

Рис. 2-13. Фагоцитоз [11]. Бактерия, покрытая молекулами IgG, эффективно фагоцитируется макрофагом или нейтрофилом. Fab-фрагменты IgG связываются с антигенными детерминантами на поверхности бактерии, после чего те же молекулы IgG своими Fc-фрагментами взаимодействуют с рецепторами Fc-фрагментов, расположенными в плазматической мембране фагоцита, и активируют фагоцитоз.

Обобщение главы

Плазматическая мембрана состоит из белков, расположенных между двумя слоями фосфолипидов. Интегральные белки погружены в толщу липидного бислоя или пронизывают мембрану насквозь. Периферические белки прикреплены к наружной поверхности клеток.

Пассивное движение растворённых веществ через мембрану определяется их градиентом и достигает равновесия в тот момент, когда прекращается движение растворённых частиц.

Простая диффузия - прохождение жирорастворимых веществ через плазматическую мембрану путём диффузии между бислоем липидов.

Облегчённая диффузия - прохождение водорастворимых веществ и ионов через гидрофильные пути, созданные встроенными в мембрану интегральными белками. Прохождение небольших ионов опосредовано специфическими белками ионных каналов.

Активный транспорт - использование метаболической энергии для перемещения растворённых частиц против градиентов их концентрации.

Быстрый переход воды через плазматические мембраны происходит посредством канальных белков, так называемых аквапори- нов. Движение воды является пассивным процессом, активируемым разницей в осмотическом давлении.

Клетки регулируют свой объём, перемещая растворённые частицы внутрь или наружу, создавая осмотическую тягу для входа или выхода воды соответственно.

Мембранный потенциал покоя определяется пассивным движением ионов через постоянно открытые каналы. В мышечной клет- ке, например, проницаемость мембраны для ионов натрия ниже в сравнении с ионами калия и мембранный потенциал покоя созда- ётся пассивным выходом ионов калия из клетки.

Транспортные мембранные пузырьки - основное средство передвижения белков и липидов внутри клетки.

Важнейшие функции мембран: мембраны контролируют состав внутриклеточной среды, обеспечивают и облегчают межклеточную и внутриклеточную передачу информации, обеспечивают образование тканей с помощью межклеточных контактов.